Кислотные дожди как опасный фактор для здоровья человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ КАК ОПАСНЫЙ ФАКТОР ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА

Огаркова Е.И., Трифонов В.А.

Аннотация

кислотный дождь антропогенный здоровье

Статья посвящена пониманию формирования такого природного явления, как кислотные дожди, а также специфике их влияния на здоровье человека. В статье рассматриваются естественные и спровоцированные антропогенным фактором процессы формирования кислотных дождей, приводятся прямое и опосредованное воздействия на человека, указаны способы сокращения причин, вызывающих данное атмосферное явление.

Ключевые слова: кислотный дождь, влияние на здоровье, токсическое действие, окислительный стресс, тяжёлые металлы.

Annotation

The article is devoted to understanding the formation of such a natural phenomenon as acid rain, as well as the specifics of their impact on human health. The article discusses the natural and anthropogenic processes of formation of acid rain, provides direct and indirect effects on humans, indicates ways to reduce the causes of this atmospheric phenomenon.

Key words: acid rain, health effects, toxic effects, oxidative stress, heavy metals.

Основная часть

Кислотный дождь -- это атмосферные осадки с рН ниже 5,6. Данное явление может образовываться в результате естественных природных процессов или антропогенного воздействия на окружающую среду. Кислотный дождь образуется в результате синтеза кислот (азотная, азотистая, серная, сернистая) и реакции воды с газами (диоксид серы и оксид азота), присутствующими в воздухе.

Частицы этих соединений могут переноситься ветром на сотни километров от источника. Когда из облаков, содержащих частицы кислоты, идёт дождь, капли воды смешиваются с кислотой, образуя очень разбавленный раствор [1].

2SO2 + O2 -> 2SO3,

SO3 + H2O -> H2SO4,

2NO + O2 -> 2NO2,

4NO2 + 2H2O + O2 -> 4HNO3.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы при достаточной атмосферной влажности образует кислотный полигидрат ЗО₂ * nH₂O, или сернистую кислоту [2]: SO₂ + H₂O -> H₂SO₃.

Вода в обычном дожде обычно имеет слабокислую реакцию, часто около pH = 5,6 по причине того, что она смешивается с оксидами, содержащимися в воздухе. Между тем, кислотный дождь, состоящий из раствора кислоты, имеет гораздо более высокий показатель pH ~ 4,2-4,4.

В природе источниками газов являются продукты распада растительности и извергающиеся вулканы, антропогенное загрязнение подразумевает выброс газов в атмосферу в результате процессов сжигания топлива (выхлопные газы автомобилей и прочих транспортных средств, работающих на бензиновом топливе) или различных промышленных производств (угольные электростанции, заводы, металлургическое производство, химическое производство и др.).

После извержения вулканов высвобождается диоксид серы, азотосодержащие вещества могут выделяться в воздух в результате деятельности почвенных микробов и грозовых разрядов.

Поступление в атмосферу азота и серы происходит в результате сгорания торфа, угля на тепловых электростанциях. Огромное количество окиси серы попадает в воздух при переработке металлов. Азотные соединения выделяются при производстве строительных материалов.

Органические удобрения, такие как навоз и навозная жижа, содержат аммиак. Внесение удобрений на поля для повышения урожайности сельскохозяйственных культур становится причиной поступления большого количества аммиака в атмосферу. Сам по себе аммиак относится к основным соединениям, но в почве с участием нитрифицирующих бактерий происходит образование нитратов и нитритов, которые уже относятся к соединениям кислой природы.

В стратосфере важнейшим для экологии Земли является цикл серы, приводящий к образованию серной кислоты и кислотных дождей. Важнейшие реакции этого цикла, часто начинающиеся с превращения карбонилсульфида (COS) -- продукта вулканической и антропогенной деятельности, а также серы и сероводорода, следующие [3]:

COS -> CO + S,

S + O2 -> O + (SO),

(SO) + O2 -> O + SO2,

502 + OH- -> (HSO3-),

(HSO3-) + O2 -> HO2- + SO3,

503 + H2O -> H2SO4.

Реакция окисления диоксида серы (сернистого ангидрида SO₂) до триоксида (серного ангидрида SO₃) протекает только в присутствии в воздухе окислителей: кислорода, озона, пероксида водорода. Она инициируется солнечным излучением, а способствует ей наличие катализаторов -- оксидов металлов и воды, растворяясь в которой серный ангидрид превращается в серную кислоту.

Образовавшаяся в ходе цикла химических превращений в каплях воды в облаках кислота далее выпадает вместе с осадками на землю. Данное атмосферное явление пагубно влияет на здоровье человека, причём прямое воздействие осуществляется тремя способами: осаждение на коже, вдыхание, токсическое воздействие микроэлементов, мобилизованных с земной поверхности. Опосредованное негативное влияние на человека может проявляться в употреблении мяса, рыбы, растительных продуктов с высоким содержанием тяжёлых металлов [4], для которых имело место отложение токсикантов в организме непосредственно после поступления закисленных капель в соответствующую среду (водная, почвенная, наземно-воздушная) наряду с кумулятивным эффектом. Так, кислотные дожди нарушают кислотный и солевой баланс в водоёмах, при этом минералы подвергаются разложению, в результате в воду поступают тяжёлые металлы.

Кислотные дожди вызывают аллергии, онкологические и сердечнососудистые (сердечный приступ) заболевания, приводят к заболеваниям дыхательных путей (астма, бронхит, грипп, ангина).

Окислительные процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют ненасыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, обмен веществ, поддержание гомеостаза и др.).

Очень сильные кислоты могут вызвать кожные ожоги, однако непосредственно кислотные дожди обычно очень сильно разбавлены, поэтому не вызывают ожогов. Самый сильный зарегистрированный кислотный дождь имеет такой же pH, как лимонный сок (pH = 2) или уксус (pH = 2 -2,9). Он слишком разбавлен, чтобы оказывать прямое негативное воздействие на здоровье, а именно на кожные покровы.

Однако очень кислый туман (встречающийся в локальных наиболее загрязнённых районах) может вызвать раздражение глаз или усугубить симптомы астмы.

Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Накопление в организме тяжёлых металлов, выщелачивающихся из почв и мобилизованных в организм, пагубно влияет на почки, печень, центральную нервную систему, органы дыхания, может стать причиной болезни Альцгеймера и онкологических заболеваний. Спустя годы после отравления у потомков могут наблюдаться генетические патологии [5].

Оксиды серы и азота, содержащиеся в атмосфере до непосредственного выпадения капель кислотного дождя на землю, могут вызывать острые и хронические поражения органов дыхания, ожоги слизистых оболочек носа и рта, раздражать слизистые оболочки верхних дыхательных путей. При сильном загрязнении воздуха основную опасность представляют сульфаты в виде сернистой кислоты, затрудняющие клиренс лёгочных мукоцилов (мукоцилиарный клиренс). Мукоцилиарная система является важной составляющей системы местной защиты органов дыхания, которая очищает верхние и нижние дыхательные пути от патогенных агентов экзогенной физической, химической и биологической природы. Аппарат мукоцилиарного клиренса состоит из реснитчатых клеток, образующих реснитчатый аппарат бронхов, трахеи, полости носа, непосредственно ресничек со слизистым покрытием, которое вырабатывается секреторными железами бокаловидных клеток и желёз подслизистого слоя. Осаждение ионов водорода ведёт к понижению pH носового секрета, что нарушает функцию неспецифического механизма, осуществляющего местную защиту слизистой оболочки органов дыхания от внешних воздействий, включая инфекционные заболевания. В норме, кроме воды (95%), в состав отделяемого слизистой оболочки носа входят белки, углеводы, фосфолипиды и электролиты. Вязкость и эластичность носового секрета определяется наличием в ней гликопротеидов. Всё это в комплексе создает кислотно-основное равновесие (КОР). Носовой секрет у здоровых людей имеет рН 7,4 ± 0,31, вязкость 1,17 ± 0,1. Поддержание оптимальной концентрации в различных средах организма ионов водорода (Н+) и гидроксильных анионов (ОН^-), непрерывно образующихся при диссоциации электролитов, является одним из важнейших параметров гомеостаза. Оптимальное соотношение перечисленных компонентов обеспечивает распределение носового секрета на поверхности слизистой оболочки равномерным слоем [6]. Эффект, по-видимому, связан с отложением ионов водорода на слизистой оболочке дыхательных путей.

МЦК обеспечивается нормальным содержанием слизи и эффективным колебанием ворсинок реснитчатого эпителия. Нормальная мукоцилиарная активность при ацидозе нарушается, то есть в значительной степени угнетается дренажная функция бронхов, что приводит к развитию бронхолёгочных заболеваний.

Кроме оксидов серы и азота опасны для здоровья человека также аэрозольные частицы кислотного характера, содержащие сульфаты или серную кислоту. Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки лёгких.

Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значение, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы. Например, для двуокиси серы среднесуточная пороговая концентрация для здоровых людей составляет приблизительно 400 мкг/м³.

Наименее признанная и основная потенциальная опасность для здоровья от кислотных дождей возникает после их выпадения на поверхность земли. Смертоносный эффект кислотных дождей, по-видимому, обусловлен не только кислотностью, но и металлами, которые мобилизуются из почвы и воздуха, включая алюминий, кадмий, свинец, марганец, ртуть, никель и цинк. Концентрация тяжёлых металлов повышается в поверхностных водах, аккумулированных в водосборных бассейнах районов, использующихся для бытовых нужд населённых пунктов, расположенных в непосредственной близости с соответствующим бассейном. А также в подземных грунтовых водах, которые являются одним из источников пресной питьевой воды.

Попадая в организм, ионы металлов провоцируют тяжёлые интоксикации, а в некоторых случаях даже мутации, которые проявятся на последующих поколениях. Ионы тяжёлых металлов засоряют каналы печени и почек, а постепенное скопление токсинов приводит к общему отравлению всего организма.

Серьёзные последствия кислотных дождей для организма и здоровья можно наблюдать при отравлении марганцем, который также может находиться в дождевой воде. Признаки подобной интоксикации характерны для большого количества заболеваний, и обычно человек не сразу обращает внимание на это. Марганец может закупоривать канальцы нервных клеток, что провоцирует сильную утомляемость, уменьшение работоспособности, сонливость, внезапную слабость, головокружения, тошноту. Ещё одним опасным металлом кислотного дождя можно назвать алюминий, который, скапливаясь в течение нескольких лет, может явиться причиной разнообразных заболеваний неврологического характера.

Гибель живых существ может быть вызвана действием сильно ядовитого иона алюминия. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия: Al³⁺ + РО₄³' -> AlPO₄, который осаждается в форме донного осадка.

До определённых пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжёлые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку, построенную по детритному типу (тип разложения, первым звеном выступает детрит - отмершие остатки).

Профилактикой отравления токсическими соединениями кислотных дожей может выступать применение соответствующего инвентаря, когда присутствует необходимость находиться на улице во время дождя, а именно зонта или плаща'дождевика.

Последствия кислотных дождей после прогулки можно снизить, если принять тёплый душ с мылом или гелем, тщательно вымыть голову шампунем, а после душа выпить горячий чай с молоком, либо просто тёплое молоко. Также рекомендуется принимать различные абсорбенты, которые помогут нейтрализовать и вывести из организма все опасные посторонние примеси.

Было проведено исследование действия ионов Al³⁺ на мезенхимальные клетки и фибробласты человека с помощью экспериментов in vitro путём культивирования клеток с добавлением малых концентраций ионов алюминия. Затем был проведен тест на костеобразование с использованием мезенхимальных клеток. Небольшие концентрации ионов алюминия замедляли, но не полностью ингибировали пролиферацию клеток. Количество костной ткани уменьшалось по мере увеличения концентрации Al³⁺. Более того, Al³⁺ ионы сильно повлияли как на структуру, так и на химический состав костной ткани, при этом минеральные узелки становились крупнее, а атомарное замещение кальция на алюминий в костной ткани преобладало с увеличением концентрации Al³⁺. Такие воздействия, в свою очередь, нарушают баланс между минералом и коллагеном в формирующейся костной ткани.

Кадмий - высокотоксичный тяжелый металл, способный накапливаться в организме и вызывать нейродегенерацию. Зрелые нейроны были более чувствительны к повреждающему действию кадмия.

Ионы цинка и меди могут влиять на нейротоксичность кадмия разнонаправленно: Zn²⁺ ослабляет вызванное кадмием нарушение внутриклеточного кальциевого гомеостаза, предотвращая гибель клеток, а ионы Cu²⁺ потенцируют индуцированное кадмием повышение уровня свободного внутриклеточного кальция и развитие митохондриальной дисфункции с увеличением продукции свободных радикалов в дифференцированных культивируемых нейронах коры головного мозга, что в конечном итоге стимулирует цитотоксичность.

Хроническое воздействие кадмием приводит к тяжёлой дисфункции лёгких и почек, подавлению иммунитета, порокам развития костей и тесно связано с раком лёгких. Кадмий вызывает серьёзные вредные эффекты и, в конечном итоге, вызывает гибель клеток, влияя на рост клеток, пути апоптоза, дифференцировку клеток и механизмы репарации ДНК.

Повышенный риск ожирения и развития метаболических заболеваний значительно выше в случаях хронического воздействия тяжёлых металлов, таких как кадмий, мышьяк и ртуть. Эти тяжёлые металлы в основном накапливаются в печени и почках, но также и в жировой ткани. Воздействие металла кадмия может способствовать развитию ожирения и связанных с ним нарушений обмена веществ, включая диабет 2 типа и сердечно-сосудистые заболевания. Жировая ткань является эндокринным и паракринным органом, играющим ключевую роль в развитии этих заболеваний и одной из основных мишеней накопления тяжёлых металлов. В исследовании определяли концентрации кадмия в подкожной и висцеральной жировой ткани человека, а также изучали влияние воздействия кадмия в различных концентрациях на жировые мезенхимальные стволовые клетки человека, дифференцированные в зрелые адипоциты in vitro. Транскриптомный анализ показал, что воздействие кадмия изменяет экспрессию генов, участвующих в гомеостазе микроэлементов и детоксикации тяжёлых металлов, таких как Solute Carrier транспортёры и металлотионеины. Этот эффект коррелировал с изменением уровня цинка в клетках и клеточных средах. Нарушение регуляции гомеостаза и транспортёров цинка особенно связано с развитием ожирения и диабета 2 типа. Более того, обнаружилось, что воздействие кадмия вызывает провоспалительное состояние адипоцитов за счёт усиления экспрессии таких генов, как IL-6, IL-1B и CCL2, цитокинов, также индуцируемых при ожирении. Наконец, кадмий модулирует различные функции адипоцитов, такие как сигнальный путь инсулинового ответа и гомеостаз липидов. В совокупности были выявлены некоторые клеточные механизмы, с помощью которых кадмий изменяет функции адипоцитов, тем самым выдвигая на первый план новые аспекты его потенциального вклада в прогрессирование метаболических нарушений.

Избыток цинка может замедлить каскад метаболических процессов, отрицательно влияющих на здоровье человека и других организмов. Воздействие повышенных уровней цинка и цинксодержащих соединений может привести к различным неблагоприятным последствиям в желудочно-кишечной, гематологической и дыхательной системах, а также к изменениям в сердечно-сосудистой и неврологической системах человека.

Патологическим признаком болезни Альцгеймера и других тауопатий является образование нейрофибриллярных клубков, в основном состоящих из пучков фибрилл, образованных белком тау, ассоциированным с микротрубочками. В проведённом исследовании было изучено влияние цинка на аномальную агрегацию и цитотоксичность мутанта тау-белка человека. Патологическая концентрация цинка значительно усиливает апоптоз и токсичность, вызванные фибриллизацией, в клетках SH-SY5Y. Zn²⁺ связывается с полноразмерным тау-белком человека путём взаимодействия с Cys-291 и Cys-322, образуя комплекс Zn²⁺ - Tau 1:1. Данные показывают, что цинк резко ускоряет аномальную агрегацию тау-белка человека и значительно увеличивает токсичность тау-белка в нервных клетках, в основном за счёт образования мостиков Cys-291 и Cys-322. Патологический цинк регулирует агрегацию тау-белка и токсичность, связанные с болезнью Альцгеймера.

Вдыхание является основным источником воздействия наночастиц никеля. Было разработано исследование для изучения токсического действия клеток эпителия лёгких человека A549 на частицы никеля. Наночастицы снижают функцию митохондрий и вызывают утечку лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в зависимости от дозы и времени. Также вызывают окислительный стресс, на что указывает истощение антиоксиданта глутатиона и индукция активных форм кислорода (АФК) и лактопероксидазы. Кроме того, активность фермента каспазы-3, маркера апоптоза, была значительно выше в обработанных никелем клетках. Результаты показали значительную токсичность наночастиц никеля в эпителиальных клетках легких человека A549, которая, вероятно, опосредована окислительным стрессом.

Наиболее распространенным симптомом токсичности свинца у людей является боль в животе. Когда токсичный металл попадает в организм, он распространяется и мешает каждому биохимическому процессу, происходящему внутри, связываясь с сульфгидрилом, вызывая окислительный стресс. Этот тяжёлый металл также нарушает физиологические функции и провоцирует многие респираторные синдромы, такие как астма, рак лёгких, хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ), а также другие системы организма, такие как нервная, почечная и сердечно-сосудистая системы. Также обнаружено, что этот металл вызывает повреждение клеточной мембраны, что приводит к инициации воспалительных сигнальных каскадов.

Почти 30-40% токсичных металлических частиц попадают в дыхательные пути и оседают в лёгких, 40% оседают в альвеолярной области, и 50% металлических частиц, попадающих в дыхательные пути, в конечном итоге всасываются в системный кровоток. 10-15% свинца поглощается слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта, однако это зависит от возраста и особенностей питания человека.

Почти весь свинец, циркулирующий в организме, связывается с эритроцитами и может попасть в любой из органов тела. В основном в костях у взрослых он откладывается в большем количестве, чем у детей. Отложение токсичного металла в организме не даёт мгновенного эффекта, но регулярное воздействие делает его более опасным. Отложение свинца в костях может занять до 30 лет с постепенным уплотнением костей по мере увеличения возраста.

Токсичность металла зависит от его способности замещать другие двухвалентные катионы, что постепенно прерывает клеточный гемостаз и вариации жизненных процессов, включая передачу сигналов клетками, апоптоз, регуляцию ферментов, воспалительные реакции и сворачивание белков. Было изучено, что высокий уровень свинца в крови приводит к возникновению эозинофилии (67,7%) и повышению общего иммуноглобулина (IgE), возрастает вероятность возникновения астмы и респираторных расстройств. При очень высоком содержании свинца он обнаруживается в организме даже в сыворотке крови и моче.

В другом исследовании изучалось влияние воздействия свинца на нервную систему детей, как нейротоксина, нарушающего высвобождение нейромедиаторов и апоптоз клеток головного мозга.

Но кроме вреда кислотные дожди имеют и полезное действие. Так, кислоты, содержащиеся в облаках над океаном, могут разрушать относительно крупные частицы пыли, содержащие железо, на чрезвычайно мелкие и хорошо растворимые наночастицы, которые легко усваиваются планктоном, полагают авторы исследования, опубликованного в журнале Environmental Science and Technology. Это открытие интересно и с практической точки зрения, как одна из возможностей увеличения биопродуктивности поверхностных вод океана за счет удобрений, для фиксации атмосферного углекислого газа и борьбы с глобальным изменением климата. Считается, что недостаток железа в той форме, в какой его усваивают микроорганизмы, сильно снижает способность планктона перерабатывать атмосферный углекислый газ в ходе фотосинтеза и противостоять глобальному потеплению климата.

Решение проблемы кислотных дождей состоит, прежде всего, в сокращении поступления выбросов газов в атмосферу. Этому способствуют новые технологии, такие как всё более эффективные каталитические нейтрализаторы для автомобилей, установленные на выхлопной трубе, чтобы уменьшить выбросы М')_х, системы, которые вымывают загрязняющие вещества из дыма путём распыления смеси воды и порошкообразного известняка на газы, поднимающиеся через дымоход.

Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием серы, однако таких видов топлива очень мало. По приближённым оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0,5%. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами. Так же обстоит дело и с углями. Содержание серы в углях колеблется от 0,5 до 1,0%.

В таком случае для предотвращения поступления серы в окружающую среду необходимо принимать меры для её удаления. Очистка угля и нефти от серы представляет собой достаточно сложный и малораспространенный про - цесс, причём затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остаётся приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

Внедряются новые экологически безопасные транспортные средства. Это гибриды и электромобили, работающие на аккумуляторных батареях, а также традиционный электротранспорт: трамваи, троллейбусы, метро, электропоезда.

Большая часть электроэнергии, обеспечивающей современные потребности населения планеты, поступает от сжигания ископаемых видов топлива, при этом нефть, природный газ и уголь генерируют оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2) в качестве основных источников кислотных дождей.

Промывка и использование угля с низким содержанием серы, десульфуризация, или очистка дымовых газов, позволяющая удалить 95% SO2 из газов, покидающих дымовые трубы, использование очистительных фильтров и сооружений могут обеспечить техническое решение выбросов SO₂. Наиболее долговременным, дорогостоящим, но и самым перспективным решением проблемы является создание в дальнейшем экологически безопасных предприятий. Все современные технологии должны использоваться с учетом оценки влияния деятельности на окружающую среду.

Одним из способов снижения выбросов кислотных загрязнителей является использование возобновляемых источников энергии, таких как гидроэнергия, энергия ветра, геотермальная и ядерная энергия.

Использованные источники

1. Кислотные дожди: причины и последствия: ECOPORTAL. [Электронный ресурс]. URL: https://ecoportal.info/kislotnye-dozhdi-prichiny-i- posledstviya/ (дата обращения 01.09.2022).

2. Кислотные дожди и их влияние на окружающую среду: сайт Таймырского краеведческого музея. [Электронный ресурс]. URL: https://taimyr-museum.ru/kislotnye-dozhdi-i-ih-vliyanie-na-okruzhayushchuyu- sredu.

3. Егоров В.В. Экологическая химия: учебное пособие для вузов / В.В. Егоров. Санкт-Петербург: Лань, 2009. С. 62-63.

4. Acid rain reduces soil CO2 emission and promotes soil organic carbon accumulation in association with decreasing the biomass and biological activity of ecosystems: A meta-analysis / Ziqiang Liu, Zhaoji Shi, Hui Wei, Jiaen Zhang // CATENA. 2022. Volume 208.

5. Чем опасен кислотный дождь?: МЕТЕОВЕСТИ. [Электронный ресурс]. URL: https://www.meteovesti.ru/news/63487024310-chem-opasen-kislotnyy-dozhd (дата обращения: 27.10.2012).

6. Кислотно-основное равновесие и мукоцилиарный клиренс в полости носа при хроническом рините и воспалительных заболеваниях ОНП / М.М. Магомедов, Г.М. Магомедов // Вестник оториноларингологии. 2013. № 78(2). С. 43-45.

Размещено на Allbest.ru